DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA PINZA AUTOMATIZADA …
88
1 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA PINZA AUTOMATIZADA PARA LA APERTURA DE RECIPIENTES CONTENEDORES EN LA CELDA HAS 200 Andrés Felipe Suárez Gaona UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ 2016
Transcript of DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA PINZA AUTOMATIZADA …
1
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA PINZA
AUTOMATIZADA PARA LA APERTURA DE RECIPIENTES
CONTENEDORES EN LA CELDA HAS 200
Andrés Felipe Suárez Gaona
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ
2016
2
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA PINZA
AUTOMATIZADA PARA LA APERTURA DE RECIPIENTES
CONTENEDORES EN LA CELDA HAS 200
Andrés Felipe Suárez Gaona
Proyecto de grado para optar al título de
Ingeniero Mecánico
Tutor
John Alejandro Forero Casallas
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ COLOMBIA
2016
3
Nota de aceptación
Aprobado por el Comité de
Grado en cumplimiento
de los requisitos exigidos por la Universidad
Distrital Francisco José de Caldas
para optar al título de Ingeniero Mecánico
________________________
Presidente del jurado
________________________
Jurado
________________________
Jurado
Bogotá 15 abril 2016
4
CONTENIDO
Pág.
GLOSARIO 10
RESUMEN 11
INTRODUCCIÓN 12
1. PRESENTACION GENERAL DE PROYECTO 14
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 14
1.2 OBJETIVO GENERAL. 15
1.3 OBJETIVOS ESPECIFICOS 15
1.4 ALCANCE Y DELIMITACION DEL PROYECTO 15
1.5 METODOLOGIA. 16
2. MARCO TEORICO 17
.1 AUTOMATIZACION INDUSTRIAL 17
2.2 ACCIONAMIENTOS FINALES 18
2.3 CLASIFICACION DE ACTUADORES 21
2.3.1 Actuadores neumáticos 21
2.3.2 Actuadores lineales 23
3. ESCENARIO DE ESTUDIO 25
3.1 MANIPULADOR ROBOTICO RV-M1. 25
3.2 CELDA DE MANUFACTURA 27
3.2.1 Celda de paletizado 28
3.3 RECIPIENTES CONTENEDORES 31
5
4. DISEÑO MECANICO PINZA AUTOMATIZADA 33
4.1 FASE PREVIA DE DISEÑO 34
4.2 MATRIZ QFD 36
4.3 CONCEPTUALIZACION 39
4.4 ESQUEMA PRELIMINAR DE DISEÑO 42
4.5 CÁLCULO Y SELECCIÓN DE COMPONENTES 43
4.5.1 Cilindros neumáticos 44
4.5.2 Pinza de presión angular 49
4.6 DISEÑO DE PIEZAS AUXLIARES. 51
4.7 DISEÑO CAD 53
5. FASE DE AUTOMATIZACION Y CONTROL 60
5.1 SECUENCIA ELECTRONEUMATICA 60
5.2 SISTEMA DE POTENCIA Y CONTROL PLC 61
5.3 ENSAMBLE SISTEMA DE CONTROL 63
6. PRUEBAS PIN ZA HAS 200 65
6.1 PRUEBAS DE CARGA 65
6.2 ENSAMBLE COMPONENTES MECANICOS 68
6.3 PRUEBA DE EJECUCIÓN 69
7. DESCRIPCION FINANCIERA DEL PROYECTO 73
8. CONCLUSIONES 75
BIBLIOGRAFIA 76
ANEXOS
6
LISTA DE TABLAS
Pág.
TABLA 1 Características técnicas robot RV-M1 27
TABLA 2 Fases proceso de Diseño 33
TABLA 3 Analisis propuestas de Diseño 40
TABLA 4 Fuerza en funcion del diametro o presion 48
TABLA 5 Características técnicas pinza presión angular 49
TABLA 6. Resultados en pruebas de destapado 72
TABLA 7. Características técnicas pinza de presión angular 72
7
LISTA DE FIGURAS
Pág.
FIGURA 1 Esquema general sistema automatizado 17
FIGURA 2 Garras robóticas 19
FIGURA 3 Componentes de un actuador 20
FIGURA 4 Clasificación accionamientos por su fuente 21
FIGURA 5 Accionamientos Neumáticos 22
FIGURA 6 Clasificación genérica de accionamientos neumáticos 23
FIGURA 7 Cilindro simple efecto 24
FIGURA 8 Cilindro doble efecto 24
FIGURA 9 Articulaciones del manipulador robot Mitsubishi RV-M1 26
FIGURA 10 Volumen de trabajo RVM1 26
FIGURA 11 Celda de Manufactura HAS 200 28
FIGURA 12 Celda de paletizado 29
FIGURA 13 Banda transportadora HAS 200 29
FIGURA 14 Manipulador HAS 210 30
FIGURA 15 Plataforma de paletizado 30
FIGURA 16 Recipientes contenedores y disposición 31
FIGURA 17 Esquema destapado recipientes 32
FIGURA 18 Pinza Andrómina 35
FIGURA 19 Esquema matriz QFD 36
FIGURA 20 Esquema de Diseño Mecánico 41
FIGURA 21 Diseño Seleccionado 42
FIGURA 22 Cilindro Neumático de doble efecto Serie CIP 0401 45
FIGURA 23 Pinza de Presión angular seleccionada 50
8
FIGURA 24 Dimensiones Robot RVM1 51
FIGURA 25 Lámina de Contacto 52
FIGURA 26 Modelo CAD y renderizado de la pinza 53
FIGURA 27 Vista explosiva pinza HAS 200 54
FIGURA 28 Piza acoplada a manipulador robotico 55
FIGURA 29 Esquema posicionamiento del manipulador 56
FIGURA 30 Movimientos manipulador robotico 57
FIGURA 31 Programación ladder inicial 62
FIGURA 32 Descripción lógica Ladder 64
FIGURA 33 Montaje prueba de carga 66
FIGURA 34 Configuración neumática doble efecto 67
FIGURA 35 Prueba de carga para cilindros micro 68
FIGURA 36 Ensamble mecánico del sistema 69
FIGURA 37 Pruebas de destapado 70
FIGURA 38 Secuencia movimientos pinza 71
FIGURA 39 Pruebas de destapado 72
9
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A Planos piezas no estandarizadas
ANEXO B Esquema neumático funcionamiento
ANEXO C Diagrama de control y potencia
ANEXO D Características técnicas Micro-Cilindros
ANEXO E Características técnicas Micro-Cilindros
ANEXO F Dimensiones pinza de presión angular
ANEXO G Matriz QFD
10
GLOSARIO
CAD: Computer-aided design / diseño asistido por ordenador
FLUIDSIM: Software integral para la creación, simulación, instrucción y estudio de
circuitos electroneumático, electrohidráulicos digitales.
GRIPPER: Pinza para aplicaciones industriales como elementos de sujeción que
se utilizan para agarrar y sostener determinados elementos por medio de
configuración lógica.
PALETIZADO: Disponer mercancía sobre un palé para su almacenaje y
transporte. Las cargas se paletizan para conseguir uniformidad y facilidad de
manipulación.
PLC: Un controlador lógico programable es un equipo electrónico, programable en
lenguaje no informático, diseñado para controlar en tiempo real y en ambiente de
tipo industrial, procesos secuenciales.
11
RESUMEN
En el actual documento se presenta las fases de investigación, diseño,
construcción y desarrollo de una pinza automatizada que permite el destapado de
recipientes contenedores en la celda de manufactura HAS 200 de la Universidad
Distrital Francisco José de Caldas ubicada en las instalaciones de la Facultad
Tecnológica, mediante un sistema industrializado que permite la manipulación y
estandarizado de este proceso.
Para la fabricación del sistema se utilizó el esquema propio de un proyecto de
diseño y desarrollo mecánico, teniendo en cuenta las limitaciones y
características propias de la celda de manufactura, iniciando con una fase de
investigación y estudio tanto del escenario de trabajo que se vería involucrado con
la pinza que se pretendía desarrollar, así como una discriminación en la búsqueda
de posibles soluciones.
Posterior a esto se realizaron las actividades de diseño necesarias por medio de
bosquejos, que involucraron factores de forma funcionamiento, costos, sistemas
de movimiento, materiales entre otros realizando también planos y modelamientos
tridimensionales por medio de sistema CAD.
Luego de obtener los planos y revisar en las simulaciones obtenidas el
funcionamiento esperado y correcto, se efectuó el proceso de selección,
adquisición y fabricación de las piezas necesarias para desarrollar físicamente el
dispositivo mecánico, realizando el acople respectivo entre ellas. Realizando
además las pruebas de carga y funcionamiento de los elementos que requerían de
este proceso.
Se desarrolló la configuración neumática, posteriormente electroneumática así
como el sistema PLC para generar la automatización y funcionamiento total del
sistema. Finalmente se desarrollaron las pruebas de ejecución que mostraran los
resultados y cumplimiento del objetivo inicial propuesto el destapado eficiente de
los recipientes, así como limitaciones encontradas, los procesos de mejora y
conclusiones pertinentes al proyecto.
12
INTRODUCCIÓN
Con el continuo avance de la industria y la necesidad de mejorar los procesos, se
ha buscado el desarrollo de nuevas técnicas como la automatización, para facilitar
y optimizar las labores, tener procesos más competitivos, mejora en los tiempos y
en general más eficientes. Los sistemas automatizados, en general son creados a
partir de conceptos y necesidades básicas y del conocimiento de diferentes
ciencias y ramas de la industria, sistemas que de manera automática o
semiautomática logran realizar cualquier trabajo en menos tiempo, con mayor
calidad y control.
En la actualidad la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José
de Caldas cuenta con un sistema de enseñanza automatizado; Una celda de
manufactura HAS 200 sistema que permite la fabricación de 19 productos
diferentes, basados en su materia prima un material perlado de diferentes colores
que es almacenado en recipientes plásticos, una vez llenos con la cantidad
correspondiente, a los recipientes les es colocado una tapa y son enviados a la
celda de paletizado para la disposición final de proceso.
Sin embargo el proceso de destapado de los recipientes mencionados al finalizar
el ciclo de la celda requiere la intervención del operario que se encuentre en el
momento con la máquina, generando un consumo en tiempo y variaciones en el
control del proceso. No obstante al ser una celda flexible, los productos,
cantidades y forma de producción pueden ser ajustados en respuesta a un
requerimiento específico.
Por la anterior razón uno de los fines base de este proyecto es el mejoramiento en
el sistema actual de la celda, por medio de la integración de un nuevo sistema
automático que represente un complemento al sistema flexible de la celda como el
nivel más alto de automatización.
Teniendo presente el anterior propósito se diseñó fabrico e implemento un modelo
de pinza automatizada, para realizar el destapado de los recipientes contenedores
de materia prima usados en la celda de manufactura HAS 200.
La elaboración de este tipo de proyecto se realizó partiendo del planteamiento del
problema y la etapa de investigación, el proyecto se abordó desde diferentes
ciclos como: Diseños preliminares, diseño CAD, simulación de circuitos y sistema
neumático, selección de componentes, construcción, ensamble final y pruebas
funcionales de los módulos tanto de tipo mecánico, neumático y electrónico.
13
A través de este proyecto se puede observar la integración de los tres
componentes bases de un proceso automatizado, el ingreso de datos, el
procesamiento de estos y una salida o ejecución final, con el acompañamiento
pertinente de las ciencias del saber, como el diseño, la mecánica, la neumática
integrados para el resultado final tangible en la pinza automatizada presentados
en este documento.
El fin último de la realización de este proyecto es generar sobre la celda y el
proceso que realiza la obtención de las ventajas propias a un sistema que se
logra automatizar; asegurar una mejora en la calidad del trabajo del operador y en
el desarrollo del proceso, obtener una reducción de costos y tiempos, puesto que
se racionaliza el trabajo, ofreciendo flexibilidad para adaptarse a nuevos
productos.
14
1. PRESENTACION GENERAL DEL PROYECTO
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la actualidad la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José
de Caldas cuenta con la celda de manufactura HAS 200, la cual permite la
emulación de algunos procesos de fabricación real y una entrega como producto
final de recipientes con el material granulado de diferentes colores.
Aunque la celda trabaja bajo procesos automatizados, algunas actividades aun
dependen de la intervención hombre-máquina para su correcto desempeño, tal es
el caso de la apertura de los frascos contenedores de perlas de color al momento
de finalizar el proceso en la línea de trabajo y su posterior vaciado para la
clasificación por colores.
Con el continuo avance global y local de la industria, se hace necesario buscar
métodos y procesos que conlleven a una mayor exactitud, rendimiento, eficiencia y
eficacia de los procesos en este caso las actividades propias la celda, Esta
actividad específica, es decir el destapado de los recipientes de la HAS 200
involucra variables que son aleatorias y que pueden alterar el resultado del
proceso; la cantidad, velocidad y tiempo que se usa de un operario a otro
influenciara directamente en el trabajo de la celda. No podemos entonces, hablar
de automatización completa si no existe un control amplio en todo el proceso que
se pretende regular.
15
1.2 OBJETIVO GENERAL
Presentar el proceso de diseño e implementación de una pinza automatizada,
para el destapado de los recipientes contenedores de materia prima usados en la
celda de manufactura HAS 200.
1.3 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Enseñar en detalle el proceso de diseño mecánico involucrando todas las
variables de un procedimiento de esta naturaleza, generando un modelo de
pinza que pueda ser ensamblado como efector final al robot Mitsubishi RV-M1.
Mostrar los esquemas de fabricación y criterios de selección de piezas para la
obtención del modelo final de pinza automatizada de forma ergonómica y
adaptable a la dimensión de los recipientes, que permita un correcto agarre y
presión para el destapado.
Detallar los procesos de configuración electroneumáticos y de sistema PLC
usado para el desarrollo de movimientos automáticos, así como la interface de
usuario para la manipulación del efector.
Describir financieramente el desarrollo del proyecto, así como los procesos de
mejora que pueden ser implementados.
1.4 ALCANCE Y DELIMITACIÓN DEL PROYECTO
El diseño e implementación del mecanismo de pinza controlada para la plataforma
HAS 200 constara de tres etapas: la primera es el diseño e implementación
dispositivo que realizara el destapado efectivo de los recipientes contenedores,
La segunda etapa es el diseño de circuito de control del mecanismo e
implementación de su funcionamiento por medio de un PLC y la última etapa
estará enfocada en el acople correcto de la pinza diseñada con los elementos de
interacción es decir el brazo robótico RV-M1 ya que como efector final requiere un
sistema de soporte y movimiento que permita el desarrollo correcto dentro de la
celda de manufactura.
16
1.5 METODOLOGIA
La metodología para la realización del proyecto tuvo en cuenta la siguiente
estructura analítica:
Análisis y diagnóstico de los diseños y mecanismo utilizados en sistemas
de sujeción
o Recopilación de información relacionada con la arquitectura de efectores
finales, sistemas automatizados y de control.
o Lectura y síntesis de la información respecto al diseño, circuitos de
comando, control y simulación de efectores mecánicos
Diseñar los componentes mecánicos empleados para el acople de la mano robótica:
o Modelación CAD del sistema de pinza y sus subsistemas.
o Implementación del sistema dentro de la tarea original.
o Diseño e implementación del circuito electrónico para los comando de
funcionamiento.
o Diseño de los circuitos de control y de potencia
o Implementación de los circuitos PLC
Fabricación y adquisición de piezas.
o Fabricación por medio de procesos mecánicos de los elementos que
fueron diseñados y que no se encuentren estandarizados.
o Obtención de piezas y elementos que se encuentran en el mercado,
teniendo en cuenta que fueran de adecuados para los fines del
proyecto.
Prueba y Análisis de los resultados.
o Integración entre los componentes mecánico, eléctrico y de control, de
la pinza
o Pruebas de destapado de los recipientes de la celda
17
2. MARCO TEORICO
2.1 AUTOMATIZACION INDUSTRIAL
La automatización es el uso de sistemas de control y de tecnología informática
para reducir la necesidad de la intervención humana en un proceso. La
automatización es el paso más allá de la mecanización en donde los procesos
industriales son asistidos por maquinas o sistemas mecánicos que reemplazan las
funciones que antes eran realizada con intervención humana. Esta automatización
puede ser completa o parcial dependiendo del nivel de intervención que se
requiera en el proceso, reduciendo de gran manera la necesidad mental y
sensorial del operador. De esta forma presenta grandes ventajas en cuanto a una
producción más eficiente, en la figura 1 se puede observar el modelo general de
un sistema automatizado, para generar una operación de trabajo.
Figura 1. Esquema general sistema automatizado
Fuente: Martin Mateo Felipe ingeniería de sistemas y automática Universidad de Oviedo 13 p.
18
Las principales ventajas de aplicar automatización a un proceso son:
Reemplazo de operadores humanos en tareas repetitivas o de alto riesgo.
Reemplazo de operador humano en tareas que están fuera del alcance de
sus capacidades como levantar cargas pesadas, trabajos en ambientes
extremos o tareas que necesiten manejo de una alta precisión
Incremento de la producción. Al mantener la línea de producción
automatizada, las demoras del proceso son mínimas, no hay agotamiento o
desconcentración en las tareas repetitivas, el tiempo de ejecución se
disminuye considerablemente según el proceso.
Normalización y estandarización de procesos, para lograr un control más
específico en procesos que ya pudiesen estar parcialmente automatizados.
La automatización de un nuevo producto requiere de una inversión inicial grande
en comparación con el costo unitario del producto, sin embargo el sistema
esperado de pinza implica a largo plazo una reducción en costos por tiempos en
los procesos, mientras la producción se mantenga constante esta inversión se
recuperara.
2.2 ACCIONAMIENTOS FINALES
Los accionamientos finales automatizados se pueden clasificar en dos grupos: las
garras o pinzas no antropomórficas (figura 2) y las herramientas especializadas.
Los robots industriales actuales emplean especialmente pinzas para mover
objetos o realizar trabajos especializados, las garras son utilizadas para el
capturar objetos por el área interna o externa, los mecanismos implementados
para este tipo de manipuladores son diversos entre ellas las más utilizadas son:
Mecanismos de manivela y guía de extensión
Mecanismos de manivela y guía de retracción
Mecanismos de dedos pivotantes mecanismos
Mecanismos cuatro barras paralelas.
Mecanismos de cuatro barras con piñón y cremallera
Mecanismos de cuatro barras con servo motor eléctrico
19
Figura 2. Garras robóticas
Fuente: BELTRÁN FERNÁNDEZ, Diseño y desarrollo de un manipulador robótico para el entrenamiento de
personal en cirugía incisiva p145 2009
La captación y manipulación de objetos en procesos industriales, requieren
manipuladores especiales dependiendo de la operación del robot como:
mecanizado, soldadura por arco continuo, soldadura por puntos, corte por chorro
de agua, pintura pulverizada, montaje e inspección, entre otros.
Algunos robots industriales cuentan con dispositivos automatizados que permiten
el intercambiar rápidamente herramientas de agarre, utilizados para compensar la
baja adherencia del manipulador al objeto1, los robots cuentan con dispositivos
que permiten seleccionar herramientas en el sistema según la necesidad de
alcanzar niveles superiores de manipuladores más evolucionados en la robótica
ha hecho que las universidades e instituciones de investigación han estado
estudiando en los últimos años, los sistemas de sujeción similar a una mano
humana, con énfasis en el modelado cinemático, el control de la estructura y
demás.
Para realizar las secuencias de trabajo estos actuadores requieren energía,
(figura 3) siendo esta una propiedad que está relacionada con los cambios o
procesos de transformación en la naturaleza, La forma de energía asociada a las
transformaciones de tipo mecánico se denomina energía mecánica y su
transferencia de un cuerpo a otro recibe el nombre de trabajo.
Uno de los módulos más importantes de un actuador es el elemento mecánico
transformador de energía ya que es un mecanismo indispensable del mismo y es
el encargado de transformar un determinado tipo de energía (eléctrica, neumática
1 PIZARRO DE LA HOZ Vladimir Diseño de mecanismo de prensión para mano robot antropomórfica tesis
2012
20
e hidráulica) en algún tipo de movimiento (Lineal o rotacional). Dependiendo del
tipo de movimiento que el transformador de energía entrega es necesario que el
actuador incorpore un sistema de transmisión de movimiento.
Este se encarga tanto de cambiar el tipo de movimiento como de trasladar
simplemente ese movimiento de un sitio a otro. Para analizar, el sistema de
transformación de datos en eventos es el elemento que adquiere información
exterior y la transforma de forma tal que se ven reflejadas como acciones que el
actuador llevara a cabo Es importante aclarar que los datos que recibe el sistema
de transformación de datos en eventos obtiene datos ya elaborados por un
sistema central como un sistema de control o una unidad central de procesos.
Figura 3. Componentes de un actuador
21
2.3 CLASIFICACION DE ACTUADORES:
A los elementos que modifican energía se los puede diferenciar según el tipo de
fuente de energía (figura 4) y el tipo de movimiento que otorgan al actuador.
Dependiendo de la cual se le da mayor prioridad tendremos diferentes estructuras
de clasificación. La que se considera en este capítulo, y la que es la más habitual
de encontrar, es priorizando el tipo de fuente de energía y luego en un segundo
plano el tipo de movimiento que otorga al actuador.
Figura 4. Clasificación actuadores por su fuente
2.3.1 ACTUADORES NEUMÁTICOS
Los actuadores neumáticos, como su nombre lo indica, utilizan la energía
almacenada en la presión de un gas que actúa como fluido para producir un
determinado movimiento o fuerza cuando se expande o se lo libera dentro de una
cámara diseñada para aprovechar dicho movimiento que puede ser tanto lineal
como rotativo dependiendo del tipo de actuador y de su aplicación2. Si bien este
principio de funcionamiento se puede aplicar a cualquier tipo de gas, el que se
utiliza en todas las aplicaciones es el aire, en algunos casos con algún tipo de
tratamiento previo (filtrado, purificado, etc.). Las ventajas de utilizar aire como
2 POMEDA IGLESIAS Manuel Automatismos eléctricos. Buenos Aires 2005 p. 32
22
unido en estos actuadores es que es inocuo para las personas y no es inflamable,
por lo tanto es muy seguro.
Basándose en el principio de funcionamiento general de este tipo de actuadores
que es el almacenar energía como presión de aire comprimido y luego liberarlo
para conseguir un accionamiento, y basándose también en los elementos básicos
que permita diseñar este dispositivo, se puede encontrar una gran cantidad de
desarrollos innovadores.
La ventaja principal de estos actuadores neumáticos (figura 5) frente a los
actuadores eléctricos es que pueden conseguir una gran fuerza en un tamaño
reducido, sin contaminantes y muy seguros, pero poseen la desventaja de ser de
muy difícil control en posición y en fuerza debido a la compresibilidad que tienen
los gases. Dicha compresibilidad puede presentarse con un comportamiento
amortiguador que lo hace inestable. Aun así existen numerosos estudios que
buscan técnicas de control complejas ayudados de válvulas específicas que
reducen considerablemente este problema Estos avances en el control de los
actuadores neumáticos han conseguido incorporar actuadores neumáticos a
desarrollos de sistemas robóticos y brazos y manos robóticas con éxito3.
Figura 5. Actuadores Neumáticos
Fuente: ainse.net/neumatica.asp
3 Tomado de: http://solorobotica.blogspot.com.co/ Robótica al descubierto
23
El trabajo realizado por un actuador neumático puede ser lineal o rotativo (figura
6). El movimiento lineal se obtiene por cilindros de émbolo (éstos también
proporcionan movimiento rotativo con variedad de ángulos por medio de
actuadores del tipo piñón cremallera). También encontramos actuadores
neumáticos de rotación continua (motores neumáticos), movimientos combinados
e incluso alguna transformación mecánica de movimiento que lo hace parecer de
un tipo especial.
Figura 6. Clasificación genérica de accionamientos neumáticos
2.3.2 ACTUADORES LINEALES
Los cilindros neumáticos independientemente de su forma constructiva,
representan los actuadores más comunes que se utilizan en los circuitos
neumáticos [1]. Existen dos tipos fundamentales de los cuales derivan
construcciones especiales.
• Cilindros de simple efecto: con una entrada de aire para producir una carrera
de trabajo en un sentido un cilindro de simple efecto desarrolla un trabajo sólo en
un sentido. El émbolo se hace retornar por medio de un resorte interno o por algún
otro medio externo como cargas, movimientos mecánicos, etc (figura 7). Puede
ser de tipo “normalmente dentro” o “normalmente fuera”. Los cilindros de simple
efecto se utilizan para sujetar, marcar, expulsar, etc. Tienen un consumo de aire
algo más bajo que un cilindro de doble efecto de igual tamaño. Sin embargo, hay
una reducción de impulso debida a la fuerza contraria del resorte, así que puede
ser necesario un diámetro interno algo más grande para conseguir una misma
fuerza. También la adecuación del resorte tiene como consecuencia una longitud
global más larga y una longitud de carrera limitada, debido a un espacio muerto
24
Figura 7. Cilindro simple efecto.
• Cilindros de doble efecto: con dos entradas de aire para producir carreras de
trabajo de salida y retroceso. Más adelante se describen una gama variada de
cilindros con sus correspondientes símbolos4. Los cilindros de doble efecto son
aquellos que realizan tanto su carrera de avance como la de retroceso por acción
del aire comprimido (figura 8). Su denominación se debe a que emplean las dos
caras del émbolo (aire en ambas cámaras), por lo que estos componentes sí que
pueden realizar trabajo en ambos sentidos. Sus componentes internos son
prácticamente iguales a los de simple efecto, con pequeñas variaciones en su
construcción. Algunas de las más notables las encontramos en la culata anterior,
que ahora ha de tener un orificio roscado para poder realizar la inyección de aire
comprimido (en la disposición de simple efecto este orificio no suele prestarse a
ser conexionado, siendo su función la comunicación con la atmósfera con el fin de
que no se produzcan contrapresiones en el interior de la cámara). El perfil de las
juntas dinámicas también variará debido a que se requiere la estanqueidad entre
ambas cámaras, algo innecesario en la disposición de simple efecto.
Figura 8. Cilindro doble efecto
4 ESCALERA TORNERO Manuel Actuadores Neumáticos 5ta ingeniería industrial. Universidad de Salamanca,
Salamanca España 2011
25
3. ESCENARIO DE ESTUDIO
Con el fin de presentar y poder desarrollar de forma clara los conceptos que se
abordaran posteriormente en el presente documento propio de la pinza
automatizada, es necesario evaluar primero el sistema, entorno y elementos con
los cuales tendrá desarrollo el trabajo de esta.
El sistema fue idealizado para que pudiese ser integrado a dos componentes
principales; que aunque no pertenecen directamente a las labores de diseño o de
construcción del proyecto si se tuvieron en cuenta ya que servirían de apoyo al
sistema de la pinza.
El primer sistema que se involucra con la pinza es un brazo Robótico tipo RV-M1
[2] que en este proyecto cumple las funciones de soporte y traslado de la pinza
desde la celda de paletizado (Sistema que se mostrara más adelante) a la tolva de
vertimiento y disposición final.
Como segundo componente de interacción de la pinza se encuentra la celda de
manufactura HAS 200 [3] la cual es un conjunto de componentes
electromecánicos y automatizados, que trabajan de manera coordinada para el
logro de un producto, y que además permiten la fabricación en serie de este. Por
sus características puede acomodarse fácilmente a distintas partes o productos.
3.1 Manipulador Robótico RV-M1
El manipulador robótico Mitsubishi Movemaster RV M1 es un sistema robótico
que cuenta con cinco grados de libertad, con capacidad de carga de 1.2 Kg sin
incluir el peso del efector final adaptado a él. El sistema que permite operar el
robot, se encuentra constituido por:
Brazo articulado.
Efector final (Original)
Teaching box.
Controlador.
Cables de conexión.
Computador con software para establecer comunicación con el robot.
26
Figura 9. Articulaciones del manipulador robot Mitsubishi RV-M1
Fuente: Manual del Brazo de Robot Mitsubishi RV-M1
Cada articulación puede rotar de forma limitada, para ofrecer al robot la posibilidad
de posicionarse en puntos dentro de su volumen de trabajo (figura 10), como se
puede observar a continuación.
Figura 10. Volumen de trabajo RVM1
Fuente: Manual del Brazo de Robot Mitsubishi RV-M1
27
El volumen de trabajo que maneja el manipulador robótico como se observa en la
figura 10 es el suficiente para las dimensiones de la celda que se presentaran más
adelante, específicamente para la celda de paletizado, ya que los rangos de
trabajo que debe alcanzar desde la celda de paletizado a la tolva que se
encuentran en módulos contiguos es una distancia de menos de un metro.
Tabla 1. Características técnicas robot RV-M1.
Características:
5 grados de libertad 5
Comandos de programación. 63
Velocidad máx. 1 m/s.
Posiciones (8Kb). 629
Líneas de programación (16Kb). 2048
Carga máxima 0,5 Kg.
programación 16 entradas y 16 salidas
RAM con batería y EPROM.
Fuente: Pagina Universidad Distrital Francisco José de Caldas
3.2 CELDA DE MANUFACTURA
La celda de manufactura HAS 200 (figura 11) es un sistema altamente
automatizado, que permite la fabricación de 19 productos diferentes [3]. La materia
prima consta de un recipiente con cuatro tipos de etiqueta de color rojo, azul,
amarillo y multicolor. Cada etiqueta incorpora un código de barras que permite
identificar al producto a lo largo del proceso. Dentro de estos recipientes se vierte
el material perlado en cantidades diferentes.
Una vez llenos con la cantidad correspondiente, a los recipientes se les coloca una
tapa y una etiqueta donde se incluye el número de lote. Después de colocar la
tapa, el producto se envía a la estación de expediciones o a los almacenes en
espera de ser despachados. Dentro del proceso, se mide tanto el peso del
material como la altura del mismo.
La fábrica HAS-200 está constituida por un sistema totalmente modular de hasta
11 estaciones de trabajo. Cada estación integra un tramo de cinta transportadora
Y La conexión entre estaciones y el sistema de gestión se realiza a través de una
red Ethernet que posibilita gran velocidad en el flujo de datos.
28
Figura 11. Celda de Manufactura HAS 200
Fuente: SMC internacional Training Guía para la utilización de sistema HAS - 200
3.2.1 CELDA DE PALETIZADO
Como se mencionó la celda HAS 200 cuenta con 11 módulos independientes,
pero para el desarrollo de este proyecto el que tiene una relación directa de
trabajo con la pinza automatizada es la HAS 210 Celda de Paletizado.
La estación 210 (figura 12) realiza la función de retirada del proceso del producto
final, ubicándolo en dos rampas de paletizado y expedición. El producto final se
agrupa en bloques de cuatro unidades, removiendo los mismos una vez completo
dicho lote.
En la siguiente figura se puede observar el sistema de disposición de los
recipientes el cual está ubicado con una inclinación de 30 grados con respecto a la
mesa de trabajo y de la cual se toman los recipientes para su proceso de
destapado.
La estación de paletizado con medidas 900x762x865 mm, cuenta con su
respectiva unidad de tratamiento de aire con regulador de presión y manómetro,
pulsadores de marcha, selector de modo manual y seccionador; está integrada por
los siguientes bloques funcionales:
29
Figura 12. Celda de paletizado
Fuente: SMC internacional Training Guía para la utilización de sistema HAS - 200
Cinta transportadora: accionado por un motor de corriente continua Cada tramo
consta de una serie de sensores y cilindros que controlan el flujo de entrada de los
recipientes, y detectan colas.
Figura 13. Banda transportadora HAS 200
30
Manipulador: Está compuesto por dos cilindros neumáticos dispuestos en dos
ejes de coordenadas. El amarre del recipiente se realiza mediante una ventosa
situada en uno de los cilindros. Permite el trasvase del recipiente desde la cinta de
transporte a las rampas de paletizado.
Figura 14. Manipulador Has 210
Plataforma de paletizado: Los dos carriles de la plataforma permiten que se
puedan ir almacenando recipientes organizados en dos lotes distintos (figura 15).
Mediante un mecanismo que realiza la función de rampa, los recipientes se van
situando uno tras otro. Una vez completados los lotes, dos cilindros liberan el paso
a los recipientes hacia la rampa de expedición.
Figura 15. Plataforma de paletizado
31
3.3 RECIPIENTES CONTENEDORES
Los recipientes contenedores de la celda de manufactura se encuentran
fabricados en un material plástico (41 X 41 X 52 mm) con cuatro diferentes tipos
de etiqueta (figura 16) Cada etiqueta incorpora un código de barras que permite
identificar al producto a lo largo del proceso y dentro de los cuales se va llenando
con las perlas de colores de acuerdo a la configuración que le sea establecida.
Los recipientes poseen una tapa plástica color azul, como característica a resaltar
al momento de encontrase tapados los recipientes por uno de sus lados sobresale
una pestaña que sirve para generar un agarre al operario o en este caso a la pinza
y facilitar la separación de la tapa al recipiente, dentro de las medidas que
presentaron relevancia para el desarrollo del proyecto se observó que al momento
de la disposición de los cilindros sobre la plataforma de paletizado la separación
entre cada hilera de recipientes está en el rango de 4 a 5 mm como máximo.
Figura 16. Recipientes contenedores y disposición
Es de resaltar en este punto del documento esta plataforma, ya que es esta la que
involucra directamente con las acciones de secuencia para dar solución a la
necesidad, en la figura 15 se observa la disposición final de los recipientes con las
tapas ya colocadas, hasta el momento la celda requiere la intervención de un
operario para efectuar manualmente el destapado de los recipientes y verter las
perlas de color sobre la tolva en el módulo siguiente (figura 17)
32
Figura 17. Esquema destapado de recipientes.
Paso 1: Llegada de recipientes a plataforma:
En este punto los recipientes tapados, están
dispuestos sobre la plataforma de paletizado
cayendo por el ángulo de inclinación presentado
en la plataforma HAS 210 y agrupados en dos
líneas de trabajo cada una con 4 recipientes.
Pasó 2: Transporte a tolva de vertimiento:
En el módulo contiguo a la celda de
paletizado se encuentra la tolva de
disposición (Círculo rojo) en la mesa conocida
como estación de reciclaje, al ser un sistema
flexible los módulos de trabajo pueden ser
fácilmente movidos, esta estación se
encuentra dispuesta a no más de 80 cm,
recorrido que efectúan los recipientes
destapados por el operario hasta la tolva
en posición perpendicular a la de paletizado.
Paso 3: una vez se ha destapado los
recipientes el usuario vierte uno a uno los
recientes en esta tolva las perlas de color
donde se clasifica la materia prima mezclada
en diferentes contenedores en función del
color con vibración y movimiento rotatorio.
Éste las expulsa de forma unitaria a una cinta
de transporte y mediante sensores
cromáticos y soplado son separadas en
tolvas por colores.
33
4. DISEÑO DE PINZA AUTOMATIZADA
Un proceso de diseño mecanico, debe estar acompañado previamente por lo que
se como fase previa de diseño, dentro de esta fase antepuesta al diseño final se
busca aplicar las diversas tecnicas y principios cientificos adquiridos con el
proposito de generar por medio de la conceptualizacion de estos conocimientos y
herramientas, el mejor conjunto de sistemas de naturaleza mecanica como piezas,
estructuras, mecanismos sistemas de funcionamiento e instrumentos diversos que
brindaran una solucion optima al objetivo final propuesto; el destapado de los
recipientes contenedores dispuestos en la HAS 210.
Sirviendo como guia la segunda edicion de “apuntes de diseño de maquinas” de
Juan M. Marin Garcia [4] las fases de un proceso de diseño y sobre las cuales
fueron desarrolados los conceptos y definiciones para el presente proyecto son:
Tabla 2. Fases proceso de Diseño
FASE CONCEPTOS
Fase previa de Diseño Identificacion de necesidad
Enunciado del objetivo
Investigacion de antecedentes
Fase Conceptualizacion Especificaciones de la tarea
Sintesis
Analisis
Solucion
Fase Diseño Mecanico Bosquejo diseño preliminar
Diseño detallado
Diseño CAD
En cuanto a las fases de proyecto de diseño mecanico se dividen según el mismo
autor en:
Prototipos y pruebas
Estudio Proceso y tiempos de fabricacion
Actividades de ensamble
Pruebas de funcionamiento
34
Cabe destacar que un proyecto de diseño como en este proyecto fue constituido
por una serie fase realimentadas entre si, las cuales sufrieron continuas
modificaciones hasta perfercionar en definitiva el sistema, como se mostrara mas
adelante.
4.1 FASE PREVIA DE DISEÑO
Con esta primera fase se busca dar una guia especifica que presente metas claras
y de un rumbo al proyecto por medio de investigacion y disernimiento de ideas que
otorgen una solucion optima al requerimiento [5].
La necesidad que se presenta es una labor especifica no automatizada dentro de
un proceso que si lo esta casi en su totalidad; la apertura de recipientes en la
plataforma de paletizado se realiza de forma manual por el operario en su
momento de la maquina, se pretende dieñar entonces un sistema que realice el
destapado de forma automatica de estos recipientes contenedores de materia
prima en la plataforma de disposicion en el modulo HAS 210.
Remitiendose a lo anterior y con el fin de lograr un objetivo concreto que presente
una meta clara del proyecto, definido asi: Diseñar un sistema mecanico
automatizado que logre destapar los recipientes de la celda HAS 200
El siguiente punto perteneciente a los procesos previos de diseño se realizo las
especificaciones necesarias del sistema, requisitos tambien detallados mas
adelante al momento de realizar la matriz QFD como los “QUÉ” del proyecto.
Ademas dentro de un proceso de diseño como el realizado en este proyecto de
ingenieria es importante obtener una vision general en el tema de trabajos
relacionados con los conocimientos a desarrollar, con el fin de obtener posibles
ideas herramientas y procesos que brinden una mejor solucion al sistema es decir
una investigacionde antecedentes.
Referenciando al uso de sistemas o mecanismos automatizados para el manejo
de diferentes procesos el estado del arte es amplio, ya que la automatización está
en constante crecimiento a nivel mundial y nacional, Sin embargo al limitar el
proyecto en un contexto especifico de pinzas robóticas para labores de agarre y
siendo aún más puntuales en la realización de labores específicas como
destapado de elementos, se pude establecer una evaluación de resultados más
concreta.
Uno de los modelos sobre los cuales se observo antecedentes es la pinza
Andrómina Gripper 4 V1.1 desarrolada en 2013, permite la manipulación de varios
objectos, aunque su sistema al igual que varios modelos de pinzas automatizados
enccontrados en su mayoria son solo parala manipulacion y traslado de
35
elementos; la configuracion de estas no permite el destapado autonomo de
ningun tipo de recipientes.
El control de algunas de las pinzas es sencillo por medio de placa
Arduino Raspberry Pi, PICAXE u otras. El diseño de la4 V1.1 presenta como
principal característica que para realizar el movimiento de los dos grados de
libertad que tiene, se usan dos servo motores estándares. Estos dos servo
motores se pueden conectar directamente a cualquier placa Arduino, sin la
necesidad de ninguna "shield" Los escudos son tablas que se pueden conectar en
la parte superior de la placa Arduino extendiendo sus capacidades ya que la
tensión de alimentación es entre 5 y 6 voltios. El servomotor de rotación continua
abre y cierra la pinza y el otro servomotor permite la rotación o giro de toda la
pinza.
Figura18. Pinza Andrómina
Fuente: https://androminarobot.blogspot.com.co
Analizando este tipo de pinzas seria una opcion viable si se utilizara para el
proceso de destapado de recipientes circulares por el grado de libertad que
permitesu giro, no podria ser aplicado para el presente proyecyo debido ala
configuracion de tamaño y forma de los recipientes. La mayoria de pinzas
encontradas en el mercado y enproyectos de desarrollo presentaban un
configuracion semejante a la presentada en este punto y otras no cumplian las
configuraciones deseadas.
Por la anterior razon fue necesario buscar un sistema que cumpliera el destapado
con laconfiguracion propia de la plataforma y de los recipientes,lo cual llevaria a la
fase de conceptualizacion de diseño expuesta a continuacion.
36
4.2 MATRIZ QFD:
Uno de los primeros puntos que cobra relevancia dentro de las labores de diseño
para cualquier tipo de proyecto mecanico es la realizacion de una matriz QFD
(Quality Function Deployment) ya que presenta un análisis de necesidades y
expectativas con el fin de crear un producto o sistema que se adapte a las
necesidades esperadas.
Por medio de esta metodología se pudo calcular de forma matemática qué
características debian ser añadidas al diseñar el sistema mecanico de la pinza
También sabremos cuáles son las carácterísticas no necesarias que aportan un
sobrecoste innecesario al producto.
En forma general una matriz es desarrollado como se muestra figura el desgloce
total de las especificaciones encontradas y su corelacion se encuentra detallada
mas adelante (Anexo G)
Figura 19. Esquema matriz QFD
37
Lo primero que se realizo luego de obtener las caracteristicas de diseño
esperadas, fue clasificar los “QUÉ” según su importancia siendo 1 no importante
y 5 muy importante (Columna1). La siguiente fase es el determinar cual es la
situacion del producto, en este caso del sistema respecto a cada “QUÉ” (columna
2) y de otros sistemas similares (Columna 3y 4), Para realizar el listado de los
como se debio efinir los requisitos técnicos necesarios para que se cumplan, para
ellos en la lista de los CÓMO enumeramos qué características debe tener el
producto. [5]
Una vez hecho esto y basándonos en la importancia de cada “QUÉ”, se fijo un
objetivo que a alcanzar entre 1 y 5 (Columna 5), seguido a esto se calculo el ratio
de mejora (columna 6) dividiendo la situación actual de cada “QUÉ” con su
objetivo (Columna 6 = columna 5 / columna 2).
Lo siguiente es la columna del “argumento de venta” (columna 9). Aquí,
pondremos un valor entre 1 y 1,5 si el QUÉ mencionado no es buen argumento de
venta, para este caso que no es un poriducto comercial se establecio bajo el
criterio el QUÉ no es un buen argumento de diseño siendo 1 mal argumento y 1,5
buen argumento. De esta forma se pudo incluir en el diseño no solo las
preferencias esperadas si no también las de diseñador.
Se calculo posteriormente la ponderación absoluta en la siguiente columna como
la multiplicación entre la importancia (columna 1), el ratio de mejora (columna 6) y
el argumento de diseño (columna 9). Ademas obteniendo la ponderación relativa
en porcentaje como la ponderación absoluta de cada QUÉ dividido entre la suma
de todas las ponderaciones absolutas.
Una vez hecho esto ya tenemos cuáles son los aspectos más importantes a
mejorar. Mirando las ponderaciones podremos clasificar los QUÉ en función de su
prioridad y implantar sólo los que más ponderación tengan, descartando o dando
menos relacion de prioridad a los aspectos que no son influyentes.
Para lograr completar la parte central de la matriz, la relacion entre los QUÉ Y los
COMÓ De esta forma podemos traducir los aspectos abstractos de la lista de los
QUÉ en características medibles de la lista de los CÓMO. Por ultimo se calculo los
objetivos técnicos que tenemos que conseguir para cumplir finalmente con las
especificaciones que requiere nuestro producto, para esto el primer paso fue fijar
la orientacion deseada de cada “COMO” es decir una especificacion que se realiza
como diseñador relacionando si el incremento de una u otra caracteristica es
mejor o contraproducente al proyecto. Por ejemplo para la pinza un incremento de
peso seria un aspcto desfavorable, en tanto un mayor ajuste seria una orientacion
positiva.
38
Lo siguiente es la ponderación absoluta y relativa de cada CÓMO. Para cada uno
se calcula: Ponderación absoluta = Sumatorio(Valor de cada la casilla de relación
entre QUÉ y CÓMO * Ponderación relativa del QUÉ asociado). A partir de aquí se
puede obtener el orden de importancia de cada uno de los aspectos técnicos.
Por último, rellenamos cuáles son los aspectos técnicos de nuestro producto y los
de la competencia y nos marcamos cuáles serán las características que
implementaremos a nuestro producto teniendo en cuenta la relevancia de esa
característica en la ponderación y teniendo en cuenta también la situación de la
competencia en cada una de las características.
Con el análisis QFD hemos conseguido lo siguiente:
– Priorizar cual es el aspecto mas importante que quiere el proyecto.
– Conocer cuáles son los aspectos esenciales que necesita nuestro producto y
cuáles son los aspectos superfluos donde no vale la pena invertir tiempo y dinero.
– Compararnos con la competencia y tener una situación de cómo estamos en el
mercado.
– Conocer qué características técnicas con las más relevantes en nuestro
producto, y cuáles son superfluas y podemos eliminar.
– Fijar unos objetivos de las características técnicas que debe tener nuestro futuro
producto para satisfacer al cliente y superar a los competidores al mínimo coste.
De la anterior se puede Concluir:
El aspecto “QUE” o necesidad cliente que mas prioridad y ponderacion representa
es que el sistema propuesto presente un destapado eficaz de los recipientes,
ademas permitio obtener una vision mas clara en los aspectos de diseño
fundamentales como tamaño y peso del dispositivo, que son de gran importancia
ya que son una restriccion funadental por el peso maximo soportado por el
manipulador robotico.
Tambien reflejo que en comparacion con otros sistemas de pinza de sujecion, el
sistema que se busca presentaria ventaja en la adaptibilidad a su sistema de
desarrollo, la celda de manufactura, al tipo de recipientes y el sistema de
acoplamiento al RVM1.
39
4.3 CONCEPTUALIZACION
El paso de la síntesis o conceptualizacion se inicia formalmente después que el
problema ha sido bien definido. El objetivo en este punto es idear diversas
soluciones posibles o propuestas de diseño [14]. Indagando como proceso de
diseño en que formas se podria realizar la tarea, en esta etapa se requirio
principalmente de una generacion constante de ideas pensando siempre en
trabajar con conceptos. los bosquejos ayudaron a establecer dichos conceptos.
Este proceso se caracteriza por la eliminacion gradual de soluciones posibles y la
necesidad de recopilar informacion acerca de la naturaleza y rendimiento de la
solucion selecionada
Cuando se realizaron los diferentes bosquejos se analizaron las configuración de
tamaño relativo y forma analizando las restricciones reales para determinar su
validez las cuales revelarán ventajas y desventajas para la fabricacion de la pinza
además los bosquejos y notas suministrarán un registro temporal de conceptos y
una base para mezclar diferentes alternativas. A continuacion sepresentan dos
modelos estudiados que aunque fueron descartados sirvieron tambien comoparte
de diseño,ya que brindan una vision mas especifica de los requerimientos
necesarios y mejores opciones de realizar la labor por parte del sistema.
Un punto importante en la fase de diseño de conceptualizacion es que no se
trabajo en detalle las diversas soluciones posibles con el fin de optimizar el tiempo
y las labores profundizando mas adelante solo en el diseño mas optimo5 y que lo
justifique. Se evaluaron las dos primeras propuestas de diseño las cuales fueron
descartadas por las siguientes razones presentadasen la tabla
Una vez se elimiaron los diseños menos aptos se procedio a especificar con mas
detalle la solucion viable con el fin de poder evaluarla y seguir el proceso
discriminatorio de diseño, hasta llegar a la solucion optima.
se determinó entonces en términos de costos, presentación, viabilidad, eficiencia
y solución a la necesidad, que el mejor modelo era un sistema de pinza neumática
estándar de cierre pivotante, con una adaptación final que presentara un ajuste
correcto a la tapa del recipiente y adaptándole cilindros neumáticos a su
estructura, el desarrollo total de este modelo sera presentado en el siguiente
capitulo.
5 GARCIA MELO José. Fundamentos del diseño mecánico. Cali Colombia 2004 Universidad del Valle. 2004
40
Tabla 3 Analisis propuestas de Diseño
Esquema 1 Esquema 2
Funcionamiento Funcionamiento
Sistema sujeccion piñon cremallera para apriete de mordazas
Activacion por Servomotor
El sistema cuenta con una cavidad a un angulo de salida α para un cilindro neumatico
Cilindro neumatico de simple efecto, al momento de salida porla fuerza generada empujaria la tapa del recipiente.
Sistemade pinza de mordaza paralela
Sujeccion de los recipientes por dos cilindros neumaticos simpleefecto acoplados en la plataforma has 210
Al estar sujeto el recipiente el manipulador seefectuaria el cierre demordzas el desplazamiento vertical por parte del manipulador robotico.
Aspectos para excluir Diseño Aspectos para excluir Diseño
El sistema piñon cremallera que se requiere es de tamaño milimetrico su control es de alta precision, incrementando costos que en términos de eficiencia no presentarían una alta mejora que justificaran su desarrollo.
Al evaluar este modelo presentaba un puntos desfavorable el sistema no se seria autosuficiente, es decir el diseño del sistema de sujeccion seria considerado como un sitema a parte de la pinza, al realizar el destapado.
41
El diseño de objetos y sistemas de naturaleza mecánica; de la pinza abarca los
esquemas, cálculos y definición de propiedades de las piezas, estructuras,
mecanismos, para el desarrollo de su funcionamiento (figura 20). En su mayor
parte, el diseño mecánico hace uso de las matemáticas, las ciencias de uso
materiales y las ciencias mecánicas aplicadas a la ingeniería.
El diseño de ingeniería mecánica incluye el diseño mecánico, pero es un estudio
de mayor amplitud que abarca todas las disciplinas de la ingeniería mecánica6,
incluyendo por aplicabilidad el estudio de fluidos. A parte de las ciencias
fundamentales se requieren, las bases del diseño de ingeniería mecánica son las
mismas que las del diseño mecánico y, por, consiguiente, éste es el enfoque que
se utilizará en el presente capitulo. En este capítulo se muestra el diseño
mecánico de la pinza automatizada, Nombrada de aquí en adelante como pinza
HAS 200, con siguiente el esquema.
Figura 20. Esquema de Diseño Mecánico
Fuente: VLADIMIR dela hoz diseño e implementación de mecanismo de prensión para mano robot
antropomórfica
El punto uno de recopilación de factores limitantes y el estudio de posibles
mecanismos ya se ha mostrado en este documento en capítulos anteriores, por lo
que se presentara a continuación la selección del mejor mecanismo.
6 BALAGUER BERNALDO Carlos, Metodología de diseño de manos robóticas basada en los estados de su
sistema accionador
42
4.4 ESQUEMA PRELIMINAR DE DISEÑO
Esta actividad tuvo como objetivo realizar los diseños mecánicos y neumáticos
basados en los conceptos preliminares y en forma general apropiados, para el
sistema seleccionado presentado en forma de bosquejos, del modelo
seleccionado teniendo en cuenta características mecánicas como esfuerzos sobre
los materiales, resistencia, forma, conceptos de diseño, montaje neumático y
protección de los componentes entre otros.
Figura 21 Diseño Seleccionado
En el modelo propuesto el funcionamiento mecánico que se pretendía lograr, en
primer momento realizaría con apoyo de un robot RVM1 de la Universidad
Distrital el posicionamiento de todo el conjunto sobre la celda de paletizado de la
HAS 200 y específicamente sobre el primer recipiente ubicado en alguna de las
hileras de la banda.
En la siguiente etapa se proyectó las acciones de secuencia neumática como
se describen; teniendo en cuenta la figura 21. Primero entrada de aire a presión
en los cilindros micro de simple efecto (B1 y B2) logrando una sujeción al
recipiente plástico que sumado con la adhesión de un polímero elástico adaptado
al final de estos mismos cilindros, logro un alto índice de agarre. Seguido a esto
se daría paso también para la entrada de la pinza (A2), logrando el cierre de las
mordazas sujetando el recipiente en la parte superior unos milímetros más abajo
de la tapa plástica.
43
La tercera fase involucro directamente los movimientos polares del brazo robótico
ya que se pretendía lograr el destapado del recipiente sobre la tolva principal de la
celda; así teniendo en cuenta las fuerzas de agarre anteriormente descritas se
ubicarían el sistema en posición horizontal sobre esta última.
La cuarta etapa requería una fuerza de empuje sobre los cilindros mini (B1 y B2),
la cual fue lograda con la adaptación de dos cilindros neumáticos micro de doble
efecto (C), los cuales al realizar la carrera de avance de su vástago, desplazarían
verticalmente los primeros cilindros; Teniendo en cuenta la presión de aire de
cilindros horizontales, verticales, el coeficiente de fricción del caucho de agarre al
recipiente y la adaptación de las pinzas finales, lograría un empuje efectivo para
realizar la separación del recipiente plástico de su tapa.
El último ciclo consiste en la apertura simultánea de los cilindros mini es decir el
suspender la entrada de aire que los mantiene en posición abierta y la carrera de
retroceso de la pinza pivotante para lograr la apertura de sus mordazas, logrando
así soltar sobre la tolva de la celda de manufactura el recipiente y la tapa.
Llevando seguidamente esto la pinza a la posición 1 para iniciar un nuevo ciclo
de trabajo.
4.5 CÁLCULO Y SELECCIÓN DE COMPONENTES
Con el fin de poder efectuar la selección de los componentes óptimos, se requería
primordialmente saber la fuerza necesaria para realizar el destapado de los
recipientes.
Teniendo estos recipientes sostenidos solo por la pestaña proporcionada por la
tapa les fue colocado gradualmente un sistema de pesas incrementándolo poco a
poco, hasta lograr una masa total que lograra realizar el empuje vertical hacia
abajo efectuando la separación del recipiente. Teniendo en cuenta formulas
básicas de física donde la aceleración, sería la misma aceleración de la gravedad
a=9.8m/s2. El destapado de los recipientes luego de efectuada la prueba varias
veces para que fuese un procedimiento aleatorio; la masa promedio en que se
logró su destapado fue de 3.8 kg. Con lo anterior se tiene una fuerza necesaria
para el destapado denominada Fn.
𝐹𝑛 = 𝑚. 𝑔
𝐹𝑛 = (3.8 𝐾𝑔) (9.8 𝑚
𝑠2)
𝐹𝑛 = 37,2 𝑁 [Ecuación 1]
44
En esta fase del proyecto ya contando con el modelo que involucraba los
componentes neumáticos, mecánicos y de control para el correcto trabajo del
conjunto, se pretendió buscar los elementos que cumplieran de mejor manera la
función esperada dentro de la gama presentada en el mercado. Para ello deberían
cumplir características técnicas y de forma que son sustentadas a continuación
La selección se realizó teniendo en cuenta también las características más
adecuadas para lograr una óptima integración entre los dispositivos mecánicos ya
que se tenía la limitante de espacio y forma en varios de los elementos que se
integrarían de una u otra manera con los recipientes o con el mismo gripper.
4.5.1 Cilindro neumáticos
El cilindro neumático por definición es la unidad que transforma la energía
potencial del aire comprimido en energía cinética y en fuerzas prensoras en los
cilindros neumáticos de doble efecto y de simple efecto7 respectivamente.
Básicamente consisten en un recipiente cilíndrico provisto de un émbolo o pistón
el cual al introducir un determinado caudal de aire comprimido que se expande
dentro de la cámara y provoca un desplazamiento lineal.
Al evaluar por medio de catálogos comerciales dentro de una alta gama de
opciones se tuvo en cuenta que se requería un cilindro que ocupara poco
espacio tanto diametralmente como en su longitud, pero que a su vez ofreciera
una fuerza suficiente para vencer la resistencia ofrecida por la goma de sujeción al
recipiente; se escogió entonces un micro cilindro neumático Serie CIP 0401 de
calibre ½” y carrera de 1” se muestra características técnicas y dimensiones.
(Anexo E)
Las características principales que serán tomadas para efectuar los siguientes
cálculos presentados serán entonces: un diámetro de camisa de 14,3 mm; el
diámetro del vástago igual a 4,74 mm y una carrera de 25,4 mm [6]. Resaltando
que en la teoría y las pruebas de funcionamiento fueron desarrolladas a 6 bares
(87 psi) y 8 ciclos por minuto.
7 GUILLEN SALVADOR Antonio Introducción a la neumática. Barcelona España 1993 p. 31
45
Fig. 22 Cilindro Neumático de doble efecto Serie CIP 0401
Fuente: Catalogo Productos Art Pneumathic ISO 6432 Serie CI
Teniendo seleccionado el cilindro que cumplía las características de forma, se
requería confirmar si cumplía características técnicas el primer dato que se obtuvo
fue la fuerza teórica [8].
𝐹𝑡 = 𝑝. 𝐴 [Ecuación 2]
Dónde: Ft es la fuerza teórica medida en Newton (N), p es la presión medida en Pa
(N/m2) o bar presión de trabajo; A es la superficie útil del embolo en m2,
recordando que la presión de trabajo teórica y práctica y usada es 6 bares y La
fuerza teórica resultante es:
𝐹𝑡 = 6 . 105 .𝜋. 𝛳𝑒
2
4
𝑭𝒕 = 96,4 𝑁
Para los cálculos neumáticos se admiten las siguientes equivalencias:
1bar=105Pa=1Atm=1Kp/cm2
Para este caso como es usual en cualquier aplicación con cilindros neumáticos se
tuvo en cuenta que en la práctica, la fuerza real o necesaria es un poco menor, ya
que existen fuerzas de rozamiento en las paredes del cilindro. Por este motivo se
46
consideró que la fuerza teórica del cilindro seria reducida entre un 10-15% en
condiciones de trabajo normales de presión 4-8 bar, asumiendo un 12% menos
por la dimensiones reducidas del cilindro tendremos.
𝑭𝒓𝒆𝒂𝒍 = 84,8 𝑁
La fuerza real presentada por este tipo de cilindro neumático micro es mayor que
la presentada en [Ecuacion1], Por lo tanto cumple ampliamente los requerimientos
esperados en el diseño.
Este dato también es verificado de forma gráfica, (Tabla 4). Se quería saber los Kg
que era capaz de desplazar, se dividió este valor entre 9,8 m/s2 Con esta fuerza el
cilindro es capaz de mover 8,7 kg lo cual es coherente con las dimensiones
especificadas.
Los cálculos de fuerza y consumo de aire para los cilindros de simple y doble
efecto presentan algunas variaciones ya que para estos últimos se desarrolla
trabajo neumático tanto en la carrera de avance como en la de retroceso, el aire
comprimido en el movimiento de avance actúa sobre toda la superficie del émbolo,
mientras que en el retroceso solamente lo hace sobre la superficie útil, que resulta
de restar a la superficie del émbolo la del vástago, Por esta razón la fuerza será
mayor en la carrera de avance. Con fines prácticos para este proyecto el dato
realmente relevante de las dos fuerzas por conocer, es la de avance dado por
los cilindros de empuje verticales, ya que son los que requerían mayor fuerza para
vencer la resistencia generada por los cilindros mini de apriete.
El Volumen de cada cilindro está dado por
𝑉 = 𝜋(2.Ø𝑒2−Ø𝑣2)
4 .e [Ecuación 3]
Dónde: Øe es el diámetro del embolo, Øv representa el diámetro del vástago y e la
carrera del vástago
𝑉 = 0.53 𝑐𝑚3
El consumo de aire de un cilindro es el volumen de aire consumido para un ciclo
completo, es decir avance y retroceso del vástago. Este valor es proporcional a la
presión del aire del sistema, a la carrera del cilindro y a la superficie por ambos
lados del pistón. El consumo de aire de un sistema o un elemento del mismo se
47
calcula según la ISO R554 Temperatura de 20 oC, Presión de 1,013 bar y una
Humedad relativa del 65%.
Dónde: Q es el consumo de aire en litros por minuto, d es el diámetro del cilindro
en mm, c es carrera del cilindro; n ciclos por minuto p es la presión de carrera, P
presión absoluta y N número de efectos en cada cilindro para este caso de doble
efecto. Se debe tener en cuenta el volumen del cilindro y el número de veces que
se repite el movimiento en la unidad de tiempo, generalmente se mide en ciclos
por minuto.
𝑄 = (𝜋
4) 𝑑2. 𝑐. 𝑛. 𝑃. 𝑁. 10−6 [Ecuación 4]
𝑄 = 0,38 l/min
Los datos presentados en este punto cobraran relevancia más adelante, durante
las pruebas de carga ya que presentaran una orientación clara si los elementos
que se pretendían adquirir eran los necesarios en función de forma y
características técnicas para el desarrollo final del proyecto.
48
Tabla 4. Fuerza en función del diámetro y presión
Fuente: Catalogo Cilindros micro A.R.T Pneumatics
49
4.5.2 PINZA DE PRESION ANGULAR
Se encontró al igual que en el caso de los cilindros una amplia gama de ofertas en
el mercado nacional [7]. Las características que se buscaban en la pinza era que
ocupara poco espacio, debido a la brecha de corta longitud que dividía a las líneas
de trabajo de la celda de paletizado.
A continuación se muestra los datos técnicos más relevantes de una pinza
pivotante de tamaño 25, que por las medidas presentadas y la presión máxima de
trabajo (8bar) presenta una adaptabilidad pertinente al proyecto.
Tabla 5. Características técnicas pinza presión angular
50
Al elegir una pinza se determinó la fuerza de sujeción necesaria para sujetar los
recipientes que llenos logran un masa promedio de 0,154 kg es decir un peso de
1,51 N. De los modelos más utilizados se encuentran las pinzas de
desplazamiento lineal o mordazas paralelas y las de desplazamiento angular,
debido a la limitante explicada anteriormente se optó por la segunda opción, pinza
Neumática doble efecto, con centrado automático de desplazamiento angular de
10o a 30o Como abertura de mordazas máxima y una presión de trabajo hasta de
100 psi (7 bar), ofrece una fuerza de trabajo de 98 N, alimentación de vacío M3
Figura 23. Pinza de Presión angular seleccionada
51
4.6 DISEÑO DE PIEZAS AUXILIARES
Dentro del sistema generado, además de los cilindros neumáticos horizontales,
cilindros verticales y el sistema seleccionado de pinza pivotante se requirió el
diseño y fabricación de piezas que no cumplen funciones de trabajo directo, pero
si desempeñan aspectos físicos como el soporte a los actuadores fijación de
algunos elementos (Anexo F).
Dentro del grupo de estos elementos se encuentra el diseño del acople para la
pinza al manipulador robótico, considerando que en la fase final la pinza
automatizada seria adaptado a este brazo robótico. Con base a las medidas
presentadas (figura 24) se realizó el plano de diseño y se realizó la fabricación de
esta pieza en Acero de alta resistencia.
Figura 24. Dimensiones Robot RVM1
El siguiente elemento que requirió fabricación de acuerdo a los planos
presentados (Anexo A) consiste en la lámina de contacto con la tapa de los
recipientes páralo cual se le genero una pequeña pestaña (fig. 25 A), que
presentara un ajuste con la presentada en la tapa de los contenedores de modo
que realizara un contacto al momento de efectuar la salida de los actuadores
verticales.
52
Figura 25. Lamina de Contacto
Se requirió producir dos sujeciones para los cilindros neumáticos verticales que
brindaran un soporte a los costados de la pinza pivotante y atornillados a este, se
optó además que tuviesen tornillo prisioneros con el facilitar el movimiento parcial
o retiro delos cilindros en tareas de ajuste o mantenimiento necesarias.
Se adaptó además el soporte de los cilindros micro, con un tornillo prisionero y
sistema de atornillamiento al cuerpo de la pinza, se aprovechó el sistema de
roscado de los vástagos de los cilindros para generar de allí el amarre
correspondiente a los cilindros horizontales de simple efecto. Este sistema de
roscado permitió, además de generar las restricciones de movimiento necesarias
de los cilindros ubicarlos en las posiciones deseadas en los ejes X y Y.
53
4.7 DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORA
La siguiente etapa involucro el diseño del modelo propuesto a partir de
herramientas CAD, realizando todas las piezas, tanto fabricadas como son el
flanche de amarre, las pinzas de sujeción y el sistema soporte de los cilindros
mini, así como los mecanismos ya estandarizados, pinza pivotante y cilindros
neumáticos horizontales y verticales.
Para realizar los modelos se utilizó el programa Solidwoks el cual permite modelar
piezas y conjuntos y extraer de ellos tanto los planos técnicos, así como realizar
simulaciones de movimientos y fuerzas. Luego de obtener los modelos
tridimensionales y verificar su estructura forma y restricciones correctas, se
extrajeron de ellos los planos necesarios de las piezas no estandarizadas
(Anexo A).
Al finalizar se realizó un ensamble general de todos los componentes, al completar
este proceso de diseño CAD en conjunto se pudo observar de manera más
específica el funcionamiento que tenía el sistema y las dimensiones finales con
las que se trabajaría.
Figura 26. Modelo CAD y renderizado de la pinza
54
Figura 27. Vista Explosiva pinza HAS 200
55
Figura 28. Pinza acoplada a Manipulador Robótico RVM1
El flanche de amarre fabricado según los planos del manipulador robótico
Mitsubishi RVM1. Es el elemento u permite realizar el acople de la pinza HAS200
al manipulador robótico RV-M1 (figura 28)
56
La celda de paletizado y la celda de reciclaje se encuentran dispuestas
perpendicularmente una al lado de la otra (figura 29), lo que permite realizar la
disposición del manipulador robótico ya integrado con la pinza en la posición
indicada.
Figura 29 Esquema de posicionamiento del manipulador
57
El manipulador robótico RVM1, como se mencionó anteriormente cumple tareas
de ubicación, transporte y soporte para la pinza, los procesos exclusivos del
manipulador sin tener en cuenta, los movimientos que desarrolla la pinza pueden
ser divido en tres fases (figura 30):
Figura 30. Movimientos manipulador robótico
1. Posicionamiento sobre la celda de paletizado, en el módulo HAS 210,
donde se encuentran ubicados los recipientes tapados en dos hileras con
un ángulo de inclinación de 30o, para permitir el alcance de la pinza a los
recipientes y poder generar la fase de sujeción para los cilindros micro de
simple efecto.
58
2. Teniendo ya el reciente sujeto efectúa el desplazamiento de la pinza hacia
la tolva de vertimiento en el módulo de reciclaje y ubica la pinza y
recipiente en la parte superior central del contenedor metálico (Tolva)
3. El tercer momento de desarrollo del manipulador robótico es habiendo ya
efectuado el transporte sobre el contenedor, debe suministrar soporte a la
pinza mientras se encuentra efectuando de manera automática, los
movimientos de destapado; es decir el cerrado de mordazas y la salida de
los cilindros de doble efecto, efectuando la separación tapa-recipiente,
soltando todos los elementos (recipiente, tapa y perlas) en el contenedor
metálico. El último ciclo del manipulador es regresara la posición uno por el
siguiente recipiente dispuesto en la celda.
59
60
5. FASE DE AUTOMATIZACION Y CONTROL.
La Real Academia de las Ciencias Físicas y Exactas define la automática como el
conjunto de métodos y procedimientos para la substitución del operario en tareas
físicas y mentales previamente programadas. De esta definición original se
desprende la definición de la automatización como la aplicación de la automática
al control de procesos industriales8.
En este capítulo se presenta dichos métodos para generar el trabajo automático
de la pinza HAS 200
5.1 SECUENCIA ELECTRONEUMATICA
Esta actividad tuvo como objetivo simular los circuitos neumáticos y
electroneumático como medio de procesamiento de las señales de entrada, para
realizar el movimiento requerido en los sistemas de salida, es decir en los cuatro
cilindros neumáticos y mordazas de la pinza pivotante, así como el
comportamiento que tendría el sistema en la vida real.
Para lograr lo anterior se utilizó Fluidsim V5.0, herramienta de simulación
neumática, el cual por medio de su interfaz aplica la creación, apariencia,
instrucción y estudio electroneumático adecuado al circuito de control del gripper.
El esquema presentado cuenta con una fuente de alimentación de aire
comprimido entre 0-8 bar (120 psi), una unidad de mantenimiento con filtro, con
sistema de lubricación y regulador de flujo de aire, dos electroválvulas neumáticas
3/2 con retorno por muelle a 24 V; tres electroválvulas 5/2, y cuatro reguladores de
presión 0-8 bar. (Anexo B)
Los elementos de salida abarcan: Dos actuadores neumáticos de simple efecto
con retorno por muelle nombrados como referencia de trabajo [A], una pinza o
mordaza neumática de doble efecto [B] y los dos cilindros micro también de doble
efecto representados como [C].
En cuanto a los elementos eléctricos de control y potencia se usó: la fuente de
alimentación a 24 V, tres relevos también a este voltaje con dos contactos
abiertos, dos pulsadores y un controlador lógico programable (PLC) y cinco
relevos de control o repetidores de señal para este último, los repetidores fueron
establecidos para evitar inconvenientes con cambios de voltaje de las
electroválvulas.
8 PONSA PERE Antoni Diseño y automatización industrial. Universidad politécnica de Cataluña. Cataluña
España 2013. p.30
61
5.2 SISTEMA DE POTENCIA Y CONTROL PLC
Teniendo en cuenta el diagrama de funcionamiento electroneumático y partiendo
de la secuencia de movimiento esperada para este sistema A+/B+/C+/A-/B-/C-/
Se crearon los algoritmos que controlaran los actuadores eléctricos ubicados para
el funcionamiento de la pinza se detalla la cadena de procesos para su ejecución.
Se presiona el pulsador S1 el cual permite energizar la salida Q1 a esta salida se
le hizo una retención interna en la programación que la mantiene energizada. Esta
salida Q1 energiza el relé K1 el cual a su vez cierra un contacto abierto,
permitiendo energizar los solenoides Y1 y Y2 simultáneamente, para que así la
electroválvula 3/2 permita el flujo de aire hacia los dos actuadores de simple
efecto, permitiendo la sujeción de recipiente con el movimiento A+ de los cilindros
mini simple efecto
Luego de tener sujetado el recipiente se realiza el proceso de desplazamiento de
este por parte del brazo robótico RV-M1 sobre la zona central de la tolva de
vertimiento, para asegurar su posicionamiento se implementó un sensor o
pulsador S2 el cual en cuanto se activa energiza la salida Q2, esta salida realiza
una retención interna al PLC que la mantiene energizada. Esta salida Q2 energiza
el relé K2, el cual a su vez cierra un contacto abierto permitiendo energizar el
solenoide Y3 y de esta forma la electroválvula 5/2 permita el flujo de aire hacia la
pinza, efectuando movimiento B+ cierre de mordazas pinza doble efecto.
A continuación por medio de un temporizador T3 interno en el PLC, pasados 2
segundos se acciona la salida Q3, esta salida energiza el relé K3 el cual a su vez,
cierra un contacto vierto permitiendo energizar los solenoides (Y4 y Y5)
simultáneamente para que así la electroválvula 5/2 permita el flujo de aire hacia
los dos actuadores de doble efecto, efectuando movimiento C+ por consiguiente el
separado de tapa de recipiente.
Por medio del temporizador interno del PLC T4 con programación a 2 segundos,
permite energizar la salida Q4, esta salida desconecta el relevo K3 el cual hace
retornar la electroválvula al regresar los actuadores a su posición inicial C-
Pasados otros dos segundos el temporizador T5, activa la salida Q5 el cual
desconecta el relé K1 que hace retornar la electroválvula y regresar los actuadores
simple efecto a posición A- soltando el recipiente sobre la tolva.
La última etapa conlleva el temporizado T6 pasados dos segundos activa la salida
Q6, que desconecta el relevo K2 el cual hace retornar la electroválvula y abrir las
mordazas B- dejando esta mordazas en posición abiertas, disponiendo el sistema
para un nuevo ciclo de trabajo.(Anexo C)
62
Se realizó la programación con ayuda del programa FST 4.10 simulador de
sistema PLC, el cual permite no solo la simulación si no también la posterior
transferencia de la configuración creada a un sistema lógico programable, la
configuración final se puede observar en la siguiente figura.
Figura 31: Programación Ladder Inicial
El siguiente paso fue cargar el programa al PLC virtual que se configuró,
Posteriormente en el programa de FluidSim se cambia todo el sistema electro-
neumático por el complemento de FestoDidactic PLC y se conecta cada una de
las entradas y salidas.
63
5.3 ENSAMBLE CON SISTEMA DE CONTROL
El PLC es un dispositivo de estado sólido, diseñado para controlar procesos
secuenciales (una etapa después de la otra) que se ejecutan en un ambiente
industrial. Es decir, que van asociados a la maquinaria que desarrolla procesos de
producción y controlan su trabajo [15].
El PLC realiza, entre otras, las siguientes funciones:
Recoger datos de las fuentes de entrada a través de las fuentes digitales y
analógicas.
Tomar decisiones en base a criterios reprogramados.
Almacenar datos en la memoria.
Generar ciclos de tiempo.
Actuar sobre los dispositivos externos mediante las salidas analógicas y
digitales.
Comunicarse con otros sistemas externos.
Una vez que se pone en marcha, el procesador realiza una serie de tareas según
el siguiente orden:
a) Al encender el procesador ejecuta un auto-chequeo de encendido y bloquea las
salidas. A continuación, si el chequeo ha resultado correcto, el PLC entra en el
modo de operación normal.
b) El siguiente paso lee el estado de las entradas y las almacena en una zona de
la memoria que se llama tabla de imagen de entradas
c) En base a su programa de control, el PLC actualiza una zona de la memoria
llamada tabla de imagen de salida.
d) A continuación el procesador actualiza el estado de las salidas "copiando"
hacia los módulos de salida el estado de la tabla de imagen de salidas (de este
modo se controla el estado de los módulos de salida del PLC.
e) Vuelve a ejecutar el paso b)
64
Cada ciclo de ejecución se llama ciclo de barrido (scan), el cual normalmente se
divide en:
Verificación de las entradas y salidas
Ejecución del programa
Se realizó el montaje estructural de los componentes neumáticos adecuados al
PLC en los bancos de trabajo de la facultad, el sistema diseñado (Anexo D);
cumpliendo tres funciones: La detección, permitiendo la lectura de señal de los
captadores distribuidos por el sistema; como se explicó en una sección anterior
todo el sistema PLC fue montado para trabajo en base a tiempos y no a
accionadores como finales de carreras o sensores.
Su segunda función es la trasformación de esos tiempos leídos por el sistema
para elaborar y enviar las acciones de apertura de mordazas, salida y entrada de
vástagos al sistema.
También genera una comunicación por medio de las señales visuales en los
tableros de control PLC con el fin de indicar el estado de los procesos y
Manteniendo el diálogo sistema operario en cualquier momento.
Como se puede observar se usó programación tipo escalera o ladder. Los
diagramas de escalera son esquemas de uso común para representar la lógica de
control de sistemas industriales
Figura 32 Descripción lógica Ladder
fuente: Rocatek programación
65
6. PRUEBAS PINZA HAS 200
La pinza automatizada en este punto ya es un sistema óptimo para la sujeción y
destapado delos recipientes y que por medio de la integración de un sistema de
control programado, un sistema de movimiento y unos actuadores o elementos de
salida logra generar fuerzas, las cuales son utilizadas en desempeñar esta labor
establecida.
El Gripper HAS 200 cuenta con dos grados de libertad (DOF), su capacidad de
carga es de 1.1 kg. Se encuentra constituido por una pinza pivotante, dos cilindros
neumáticos de simple efecto para la sujeción del recipiente y dos cilindros doble
efecto como actuadores de fuerza en el destapado. La fuerza neta aproximada
generada por el sistema es de 80 N.
La estructurara está fabricada en acero para el flanche de amarre y pinzas finales
de sujeción; El cuerpo de la pinza pivotante doble efecto está diseñada en
aluminio y plástico de alta resistencia, cuenta al final de los cilindros mini con un
polímero elástico con un alto índice de coeficiente de fricción sobre plásticos.
6.1 PRUEBAS DE CARGA
El fin de desarrollo de esta actividad era el evaluar la capacidad de carga efectiva
de la pinza y el empuje real que tendrían los cilindros neumáticos y el sistema en
general comprobando así tangiblemente los resultados obtenidos en la actividad
Para la prueba de fuerza generada por los cilindros micro se realizó primero un
montaje neumático básico para el mando directo de un cilindro doble efecto en
Fluidsim (fig. 26) y como parte practica en las instalaciones del laboratorio de
automatización y control de la Universidad Distrital. Se confirmó la fuerza que
genera este tipo de cilindro.
Con el fin de determinar la fuerza que era capaz de generar cada uno de los
cilindros de doble efecto en función de la masa a desplazar, para poder destapar
los recipientes, se efectuaron las siguientes mediciones prácticas
Se requirió en primera medida lograr saber cuál erala fuerza necesaria para el
destapado de los recipientes para lo anterior se realizaron las pruebas solo con el
sistema neumático generando el cierre de las mordazas sobre los recipientes
contenedores.
66
Figura 33. Montaje prueba de carga
A estos recipientes les fue colocado gradualmente el mismo sistema de pesas
usado durante la prueba expuesta en el capítulo 5.2, pero realizando esta vez el
agarre del recipiente por medio de la pinza de presión angular sometida a la
presión de trabajo del banco neumático de 6 bar. Los resultados fueron los
mismos obtenidos con la ecuación 1 presentada y el agarre por parte de las
mordazas, permitió el destapado efectivo del recipiente.
Era necesario ahora determinar la fuerza de empuje que generaban los cilindros
de doble efecto, es decir los cilindros verticales, para esto se realizaron pruebas
de la fuerza de desplazamiento de estos variando una masa. Se efectúo la prueba
solo con la configuración para estos cilindros (fig. 26).
La configuración de esta prueba es como se puede observar (fig. 27) sobre un
banco de trabajo neumático se dispuso un recipiente al cual se le vario la masa
de 0 a 5 kg, estableciendo con la ayuda de un acelerómetro piezoeléctrico la
aceleración de este recipiente.
Con la masa máxima suministrada por el sistema de pesas dentro del recipiente,
se logró una aceleración media de 12.4 m/s2 obteniendo una fuerza de empuje Fe.
𝑭𝒆 = (𝟓 𝒌𝒈)(𝟏𝟐. 𝟒 𝒎
𝒔𝟐)
𝑭𝒆 = 𝟔𝟐 𝑵
67
Figura 34 Configuración neumática doble efecto
La fuerza generada en esta prueba es coherente con lo esperado para los
cilindros neumáticos usados en el sistema bajo la presión de 6 bar y verificado
según la tabla 4.
De lo anterior se puede observar que:
𝐹𝑒 > 𝐹𝑛
Siendo la fuerza de empuje generada por cada uno de los cilindros verticales
mayor a la necesaria para el destapado, se podía concluir en este punto que las
características presentadas por estos actuadores era la necesaria para el
desarrollo del destapado.
68
Figura 35 Prueba de carga para cilindros micro
Aunque los recipientes con el material perlado ya dentro de ellos no poseen una
cifra en cuanto a su peso considerable (0,14kg) se realizó la prueba de agarre
como fue planteado en un inicio para confirmar si este agarre de la pinza era el
efectivo para sostenerlo en posición mientras se realizaban las tareas de ajuste
por parte de los cilindros neumáticos horizontales.
6.2 ENSAMBLE DE LOS COMPONENTES MECÁNICOS
Ya siendo verificado el funcionamiento individual de cada uno de los elementos
por separado, se ensamblaron las piezas a utilizar basándose en el modelo CAD
previamente realizado y el plano explosivo (figura 27), Sobre los lugares
pertinentes se colocaran los actuadores neumáticos que le darían el movimiento a
los actuadores horizontales, se verifico manualmente al momento de su
ensamblado si las características técnicas y de dimensionamiento, correspondían
a las esperadas según los planos y modelamientos presentados en la actividad 5.
(figura. 36).
69
Figura 36. Ensamble mecánico del sistema
6.3 PRUEBA DE EJECUCIÓN
Teniendo ya constituido en su totalidad los elementos electroneumáticos,
mecánicos y de programación mencionados de las actividades respectivas, se
evaluó el sistema de la pinza para el destapado de los recipientes.
Para las pruebas finales se utilizaron los bancos neumáticos de la universidad
distrital de acuerdo a la configuración presentada (Anexo B) el montaje general
requirió además de la pinza los siguientes elementos:
70
Figura 37 Pruebas electroneumáticos
3 válvulas 5/2 monoestables
retorno por muelle
2 válvulas 3/2 monoestable
retorno por muelle
1 manifold de distribución
neumática
Sistema cableado conectado a
fuente de poder 24 y 0 V
Sistema PLC FST-640 cargado
con el programa (Anexo B) y
realizar la comunicación con el
sistema electroneumático.
Programación FST 4.10 en
sistema ladder
71
Al ejecutar el programa (Anexo C), la secuencia de movimientos generados sobre
la pinza HAS 200 es la siguiente.
Figura 38 Secuencia movimientos pinza.
1. Posicionamiento recipiente 2.sujecion cilindros simple efecto
3. cerrado de las pinzas 4. Salida cilindros doble efecto
5. Regreso de cilindrso simples efecto 6. Apertura de las pinzas
72
Se realizaron las pruebas de destapado con varios contenedores con condiciones
llenado completo de material perlado en condiciones medias de volumen de
llenado y otros totalmente vacíos. De las pruebas realizadas con 5 recipientes sin
material perlado, a media capacidad y con el nivel total de materia prima en su
interior el gripper HAS200 destapo efectivamente 13; Es decir de acuerdo a las
pruebas realizadas el sistema tiene una efectividad de 86% (fig. 31).
Figura 39. Pruebas de destapado
Tabla 6. Resultados en pruebas de destapado
Nivel de llenado RECIPIENTE 1 RECIPIENTE 2 RECIPIENTE 3 RECIPIENTE 4 RECIPIENTE 5
Vacio 1 1 2 1 2
medio 1 1 1 1 1
Lleno 1 1 1 1 1
Cantidad de veces que se realizo la prueba antes de su destapado efectivo
73
Como fue propuesto desde la fase de investigación, la integración de la pinza HAS
200 seria con los manipuladores robóticos tipo RVM1parabrindar las tareas de
traslado y soporte, de acuerdo a la configuración que se programe sobre este tipo
de autómata.[2]. Se presenta la integración con los brazos RVM1, brindando las
posiciones básicas para el desarrollo de la tarea.
74
7. DESCRIPCION FINACIERA DEL PROYECTO
Al momento de plantear el proyecto según lo estimado y sustentado en la
presentación previa al desarrollo, se había presupuestado un valor total en gastos
para el desarrollo del mismo igual a $965.000 (Novecientos sesenta y cinco mil
pesos Colombianos) Se detallan los valores reales utilizados al finalizar el
presente trabajo.
Los costos presentados se encuentran en función de:
Costos información
Adquisición de materiales
Procesos de fabricación
Desarrollo de diseños
Transportes
Papelería e insumos para el desarrollo
Tabla 7. Recursos económicos generados
CONCEPTO cantida valor unitario costo total
Cuerpo de pinza de presion angular doble efecto 1 320000 320000
Acero- fabricacion flanche y pinza sujeccion 1 60000 60000
tiempo de mecanizado 5 horas 4000 x hora 20000
Cilindros neumaticos simple efecto mini 2 85000 170000
Cilindros neumaticos doble efecto micro 2 195000 390000
Racores metalicos codo 4 9200 368000
Racores metalicos recto 2 5400 10800
Fabricacion soporte cilindros neumaticos doble efecto 2 25000 50000
Fabricacion soporte cilindros neumaticos simple efecto 2 25000 50000
Polimero elstico para sujecion 1 8000 8000
Costos indirectos
Trasnporte 22 2000 44000
papeleria N.E 35000 35000
COSTO TOTAL $ 1.525.800
COSTO ESPERADO EN PLANTEAMIENTO DE PROYECTO $ 965.000
SOBRECOSTO DE PROYETO $ 560.800
75
Se presentó un sobre costo de 36, 7% equivalente a $560.800
76
8. CONCLUSIONES
El haber expuesto el proyecto a un análisis previo de costos, estado del arte, y
teoría fundamental, permitió obtener las herramientas adecuadas y un panorama
general para buscar la opción que presentara las mejores características de
desarrollo a la situación presentada.
Por medio de la anterior visualización también fue posible presentar y desarrollar
una mejor estructura de desarrollo del proyecto, iniciando por labores
investigativas, de diseño, de fabricación, ensamblaje adecuamiento y obtención de
resultados permitiendo reducir tiempos y costos.
Se cubrieron todos los objetivos específicos que se habían planteado en la fase de
propuesta de este proyecto y en base a ellos, presentar tangiblemente resultados
que dieron respuesta al objetivo general, y finalidad última de este proyecto que
consistió en proveer al Laboratorio de control industrial de la facultad tecnológica y
específicamente a su celda de manufactura de un gripper automatizado, el cual
logro de acuerdo a las metas previstas el destapado de los recipientes de trabajo
de este sistema de simulación.
Se resalta también la labor e importancia que ha tomado en la actualidad, en las
labores de ingeniería la planeación y como parte de ella las herramientas CAD Y
CAM, programas de simulación neumática, que permitieron en el caso de este
trabajo visualizar así como los aciertos también los errores previos a la ejecución
y presentación final de un resultado.
Para finalizar se pudo observar que aunque fue parte de la planeación previa al
desarrollo del trabajo el factor costos esperados frente a los costos reales de
desarrollo presentan un índice significativo de variabilidad como se puede
observar en la descripción financiera del proyecto, esto se presentó debido a que
como es normal en la ejecución de cualquier proyecto y más aun siendo un
proyecto de desarrollo practico, se desplegaron algunos componentes no
esperados, como daño en algunos elementos, material no previsto, aumento en el
costo neto de materiales entre otros; Siendo importante también destacar que en
el análisis de costos realizando teniendo en cuenta la proyección en tiempo,
usuarios y comparativamente con estos costos mencionados, presenta finalmente
un óptimo valor que justifico su desarrollo.
77
BIBLIOGRAFIA
[1] EMERSON INDUSTRIAL AUTOMATION, Actuadores neumáticos catálogo.
www.asconumatics.eu
[2] LABORATORIO DE INSTRUMENTACION Y ROBOTICA, Manipulador robot
Mitsubishi rv-m1. Manual de funcionamiento, 2002 - EXTRACTO UNIVERSIDAD
DE SEVILLA, ESPAÑA.
[3] SMC International Training Guía para la utilización de sistema HAS - 200
http://www.smc.com.mx/pdf
[4] MARIN G. Juan. Apuntes de diseño de máquinas. Segunda edición 2008
[5] RUIZ H. Arturo. Apuntes de clase, despliegue de la función calidad (QFD).
Universidad Pontificia Comillas ICAI-ICADE. Madrid 2009.
[6] ABINA SMC Colombia. [Catalogo] pinzas neumáticas angulares Serie:
Disponible en http://www.abina.com/Catalogos
[7] ARTPNEUMATIC [Catalogo V] Cilindros neumático micro Artpneumatic. Bogotá
2012 72 p.
[8] BERNAL H, Hugo Cálculos específicos para cilindros neumáticos [Guía de
trabajo], México D.F. 2008
[9] FESTO Fluidsim-Manual de usuario [Online] 2007 Disponible en:
https://www.uclm.es/area/imecanica/AsignaturasWEB/Neumatica_Hidraulica_Indu
strial/Practicas/
[10] MILLAN R. Salvador, Artículo. Automatización Neumática y electroneumático.
Icreate Abril 2003.
[11] MORENO H. William Automatización electroneumática Industrial,[Manual]
Buenos Aires Argentina Disponible en: Micro. www.micro.com.ar 2009
[12] MOTT, Robert. Diseño de Elementos de Maquinas. 4 ed. 2006 Mc Graw-Hill,
1997. 474 p.
[13] Norma ISO 554:1976 Standard atmospheres for conditioning and/or testing —
Specifications
78
[14] SHIGLEY Joseph E. Diseño en Ingeniería Mecánica 4ta edición Michigan
Universidad de Michigan 1985 915p.
[15] OBSERVATORIO TE3CNOLOGICO Lenguajes de programación - Principios
básicos de PLC. Gobierno de España. 2007
[16] A. N. Reddy, N. Maheshwari, D. K. Sahu, y G. K. Ananthasuresh, «Miniature
Compliant Grippers With Vision-Based Force Sensing», IEEE Transactions on
Robotics, vol. 26, no. 5, pp. 867–877, Oct. 2010.
[17] ALBAN V. Diseño y control de robots industriales: teoría y práctica.
elaleph.com, 2010.
[18] PAOLA A RUIZ ROJAS, «mecatronica revolución para siglo XXI». [Online].
http://www.metalactual.com/revista/8/tecnologia_mecatronica.pdf.
[19] J. C. ROJAS, Modelamiento y diseño de robots industriales, 1st. ed. España
2006.
[20] LOVCHIK Y M. A. DIFTLER, «The Robonaut hand: a dexterous robot hand for
space», in 1999 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 1999.
Proceedings, 1999, vol. 2, pp. 907 –912 vol.2.
[21] GUERRERO PÉREZ Y A. DURÁN GUTIÉRREZ, Gripper multifuncional para
extracción de granadas», 2010. [Online].
http://bibliodigital.umng.edu.co:8080/UMNG/handle/10654/466
[22] J. C. ROJAS, Modelamiento y diseño de robots industriales, 1st. ed. 2006.
[23] J. Butterfass, M. Grebenstein, H. Liu, y G. Hirzinger, «DLR-Hand II: next
generation of a dextrous robot hand», in IEEE International Conference on
Robotics and Automation, 2001. Proceedings 2001 ICRA, 2001, vol. 1, pp. 109 –
114 vol.1.
79
ANEXO A PLANOS PIEZAS NO ESTANDARIZADAS
80
81
82
83
ANEXO B ESQUEMA NEUMÁTICO FUNCIONAMIENTO
84
ANEXO C DIAGRAMA DE CONTROL Y POTENCIA
85
ANEXO D ESQUEMA DE PROGRAMACIÓN PLC
86
ANEXO E CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS MICRO-CILINDROS
Serie CIP de doble efecto ½”
Carrera de 1”
Micro cilindro neumático de doble efecto sin imán incorporado
Medidas principales de acuerdo a norma ISO 6432-CETOP RP 52 P
Temperatura de trabajo 0-60 oC
Aire filtrado con o sin lubricación
1,0…7 bar (15… 101 psi)
Materiales: Tapas de Aluminio, tubo y vástago de Acero Inoxidable, sellos de PUR.
87
ANEXO F DIMENSIONES PINZA DE PRESIÓN ANGULAR
88
ANEXO G MATRIZ QFD
Destapado eficaz de los recipientes 9 9 3 1 9 0 0 1 3 1 0 5 4 1 1 5 1,3 1,5 9,4 30,1 1
Fuerza adecuada para la sujeción del recipiente 9 9 3 1 9 1 1 0 3 1 0 4 5 5 4 4 0,8 1 3,2 10,3 4
Protección del código de bandas de los recipientes 1 9 9 0 0 1 3 3 1 0 1 3 4 5 3 2 0,5 1 1,5 4,8 7
Fácil mantenimiento 0 3 3 9 3 1 0 0 3 1 9 3 4 4 3 3 0,8 1 2,3 7,2 6
Fácil operación para el usuario 0 1 0 0 0 1 3 9 1 1 1 2 3 4 3 3 1 1,5 3 9,6 5
Presente adaptabilidad al RV-M1 9 0 1 3 1 0 0 3 0 3 3 3 5 1 2 4 0,8 1,5 3,6 11,5 3
Aspecto estético 3 0 1 3 0 9 9 3 0 1 3 1 4 5 5 3 0,8 1 0,8 2,4 8
Bajo peso para poder ser soportado por el RV-M1 1 1 0 0 0 3 1 3 1 9 9 2 4 5 5 3 0,8 1 1,5 4,8 7
Resistente 3 9 1 1 9 3 3 1 0 0 9 4 4 3 4 4 1 1,5 6 19,2 2
35 41 21 18 31 19 20 23 12 17 35 31 100,0
Orientacion Deseada
Ponderacion absoluta 542 616 219 166 569 126 138 207 162 137,5 337,8 3220
Ponderacion Real 16,8 19 6,81 5,17 17,7 3,91 4,3 6,42 5,03 4,272 10,49
orden de importancia 3 1 5 7 2 11 9 6 8 10 4
DIS
EÑ
O F
UN
CIO
NA
L
PR
ES
ION
DE
SU
JEC
CIO
N (
Ba
r)
MA
TE
RIA
LES
CO
RR
EC
TO
S (
1A
10
)
TA
MA
ÑO
(m
)
OB
TE
NC
ION
RE
PU
ES
TO
S
CA
PA
CID
AD
DE
CA
RG
A (
KG
)
PE
SO
TO
TA
L D
EL
DIS
PO
SIT
IVO
(N
)
S
HU
NK
4
OB
JET
IVO
A A
LCA
NZ
AR
5
IM
PO
RT
AN
CIA
1
PIN
ZA
HA
S 2
00
2
GR
IPE
R 4
V1
,1
3
OR
DE
N D
E I
MP
OR
TA
NC
IA
ES
TE
TIC
O (
1a
10
)
AD
AP
TA
BLE
(1
a1
0)
RA
PID
EZ
DE
TR
AB
AJO
(m
/s)
RE
SIS
TE
NC
iA (
Mp
a)
R
AT
IO D
E M
EJO
RA
6
AR
GU
ME
NT
O D
ISE
ÑO
7
PO
ND
ER
AC
ION
AB
SO
LUT
A
8
PO
ND
ERA
CIO
N P
OR
CEN
TAJE
9
